Zasady określania obciążeń przy projektowaniu obudów kapitalnych wyrobisk korytarzowych i komorowych

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEo Seria: GÓRNICTWO z. 107

1980 Nr kol. 661

JÓZEF MAŁOS ZEWSKI

ZASADY OKREŚLANIA OBCIĄŻEŃ PRZY PROJEKTOWANIU OBUDÓW KAPITALNYCH WYROBISK KORYTARZOWYCH I KOMOROWYCH

Streszczenie. Przedstawiono w oparciu o najnowsze źródła oraz wy- niki prac zaplecza naukowo-badawczego Zjednoczenia Budownictwa vjór—

niczego, podstawowe zasady określania obciążeń przy projektowaniu obudowy poziomych wyrobisk udostępniających w zależności od głębo

kości zalegania oraz stanu ośrodka w jakim są zlokalizowane.

1. Wprowadzenie

W literaturze technicznej cytowanej jest wiele sposobów obliczania ob

ciążeń, wszystkie one bazują na pewnych założeniach upraszczających zagad

nienie. W zależności od poczynionych założeń możliwe jest ich stosowanie, przy projektowaniu obudów tylko dla określonych warunków górniczo-geolo

gicznych. W oparciu o analizę i syntezę szeregu najbardziej znanych metod określania obciążeń [10] sprecyzowano w niniejszej publikacji zasady ob

liczania ciśnienia górniczego na obudowę wyrobisk dla:

1. płytkiego zalegania wyrobiska (tunele, sztolnie),

2* głębokiego zalegania wyrobiska z rozbiciem na rodzaje ośrodka:

- ośrodek sypki, - ośrodek sprężysty,

- ośrodek sprężysto-plastyczny, - ośrodek sprężysto-spękany.

Mając na uwadze brak w chwili obecnej dostatecznych danych o własnoś

ciach Teologicznych skał górotworu Górnośląskiego i Lubelskiego Zagłębia Węglowego, reologiczne modele obciążeń pominięto.

2. Rodzaje i przypadki obciążeń

W obliczeniach statycznych obudów wyrobisk korytarzowych i Komorowych należy uwzględnić następujące rodzaje obciążeń;

- ciśnienie górotworu,

- obciążenie od urządzeń podwieszanych do obudowy, - ciężar własny obudowy.

(2)

56 J. Małosaewski

Rozróżnić można dwa przypadki obciążeń:

- równoczesne działanie ciśnienia górotworu i ciężaru własnego obudowy, - równoczesne działanie ciśnienia górotworu, ciężaru własnego obudowy

i obciążeń od urządzeń podwieszanych do obudowy.

3. Ciśnienie górotworu

3.1. Ciśnienie górotworu na obudowę wyrobisk

Zaleganie wyrobiska mcżna uznać za płytkie [6,9] w przypadku,gdy miąż

szość górotworu H zalegającego nad pułapem wyrobiska nie zapewnia wyt

worzenia się sklepienia, tj. gdy:

H 0,02 . hQ (1)

oraz zaleganie wyrobiska przyjmuje się za głębokie gdy:

H > 0,02 . hQ

tj. gdy wokół wyrobiska wytwarza się sklepienie ciśnień.

We wzorze (1) H oznacza odległość pułapu wyrobiska od powierzchni te

renu lub od spągu warstw słabych kategorii X wg BN-73-0434-04, rya. 1.

Strzałka sklepienia ciśnień h Q (cm) określona jest wzorem:

Rys. 1. Płytkie zaleganie wyrobiska

a - w stosunku do spągu warstw słabych, b - w stosunku do powierzchni te

renu

°>5 sw + ww • -

~~<r)

tg i^a

(2)

(3)

Zasady określania obciążeń.. 57

gdzieś

sw - szerokość wyrobiska, wft, - wysokość wyrobiska,

ę' - pozorny kąt tarcia wewnętrznego skały w ociosach wyrobiska, 0' - pozorny kąt tarcia wewnętrznego warstw stropu.

Y 8

3.1.1. Ciśnienie górotworu na obudowę, gdy H <.0,02 . h Q

ai)

Rys. 2. Schemat nacisków gorotworu na obudowę płytko zalegających wyrobisk a - wyrobisko o kształcie łukowym, b - wyrobisko o kształcie kołowym

Wielkość stropowego qg i ociosowego qx j , qx g wg teorii Rankina [4]

ciśnienia górotworu na obudowę określa zależność [3] i [4,5]

i-1

fto. . h . g (3)

gdzie:

^oi “ gęstość przestrzenna warstwy stropowej, h - grubość warstwy,

g - przyspieszenie ziemskie,

1x1 ” q z * *1

qx2 = (qz +

%

^{ww ) •} ^A,

(4)

(5)

Wartość współczynnika parcia bocznego

7$^

zaleca się określać na podsta

wie badań "in situ”.

W praktyce projektowej wyznacza się z zależności [1 , 8] 1

Aj ” tg2 (45 - - y ) (6)

Wielkość spągowego ciśnienia górotworu qw na obudowę określona z różni

cy parcia czynnego i biernego [i] wynoai:

(4)

58 J. Małoszewski

(7)

(

⁸

)

Do wzoru (8) należy podstawić hQ ze wzoru (2), a w przypadku płytkiego zalegania wyrobiska do wzorów (7) i (8) wstawić hQ - 0,01 . H.

W przypadku występowania ciśnienia spągowego, t j . gdy qw określone z zależności (7) przyjmuje wartość dodatnią, należy ograniczyć nacisk jed

nostkowy fundamentu na podłoże do

3.1.2. Ciśnienie górotworu na obudowę gdy H > 0 , 0 2 . h Q

Ciśnienie górotworu na obudowę uzależnione jest od charakterystyki oś

rodka skalnego otaczającego wyrobisko. V? zależności, od wzajemnej rela

cji czynników górniczo-geologicznych górotwór otaczający wyrobisko może przyjmować cechy:

- ośrodka sypkiego,

- ośrodka sprężystego, ■* - ośrodka sprężysto-plastycznego, - ośrodka sprężysto-spękanego.

3.1.2.f. Ciśnienie górotworu na obudowę w o ś r o d k u s y p k i m Ośrodek otaczający wyrobisko można uznać za sypki,gdy skały budujące górotwór odpowiadają kategorii VII-IX według zał. 1 do BN-73/0434-04*

Na obudowę wyrobiska zlokalizowanego w ośrodku sypkim działa ciśnienie stropowe q z , ociosowe qx ^ spągowe qw , (rys* 3) które wynosi:

Dla wyrobisk o krzywoliniowym obrysie przekroju poprzecznego odbiegającym od kształtu kołowego, należy wprowadzić promień zastępczy rw sprowadza

jący rzeczywisty kształt do kształtu kołowego.

qf ^

V0g

(ww + hQ ) (9)

9z2 " to * g ‘ h o

(5)

Zasady określania obciążeń. 59

o

1 o i . h i .

i»1

(

1 1

)

s t r e f a s p r ę ż y s t a

Hys. 3- Schemat nacisków górotworu na obudowę w ośrodku sprężysto-pla- stycznym i sprężysto-spękanym

a - nacisk deformacyjny qz1> b - nacisk statyczny qz2

W przypadku, gdy wyrobisko zlokalizowane jest w skałach kategorii VII- -IX, a powyżej zalegają skały zwięzłe, ciśnienie q z określone zależnoś

cią (10) nie może przekraczać wartości:

^z “ ło • H z • * g d z i e :

H z - odległość pułapu wyrobiska od stropu warstw zwięzłych.

Wielkość qx oblicza się z wzoru (4), (5), natomiast qw z zależnoś

ci (7), (9).

3.1.2.2. Ciśnienie górotworu na obudowę w o ś r o d k u s p r ę ż y  s t y m

Ośrodek otaczający wyrobisko można uznać za sprężysty, gdy skały budu

jące górotwór odpowiadają kategorii I-VIa, według załącznika nr 1 do normy BN-73/0434-04, a głębokość zalegania wyrobiska jest mniejsza od głębokości krytycznej (m) opisanej wzorem:

(13)

(6)

60 J. Małoszewakl

wówczas wielkość ciśnienia na obudowę należy przyjmować

h

q (14)

h_o

Zasięg spękań ń 0 powstałych w wyniku prowadzenia robót strzałowych zaleca się przyjmować hg = 100 f 200 (cm), w zależności od wielkości wy

robiska.

Wielkość ciśnienia ą ^ - o k r e ś l a się z wzoru (4), (5), (6) .natomiast q

przyjmuje się równą zero. W

3-1.2.3. Ciśnienie górotworu na obudowę w o ś r o d k u s p r ę ż y - s t o-p l a s t y c z n y m

Ośrodek otaczający wyrobisko można uznać za s p r ę ż y s t o-p 1 a- s t y c z n y, gdy skały budujące górotwór odpowiadają kategorii I-VIa według zał. 1 do BN-73/0434-04 i równocześnie spełnione są warunki:

H > H kr

uw < r w *

(nS

(15)

Przemieszczenie radialne konturu wyrobiska uw należy obliczać:

a) w przypadku obudowy z betonu natryskowego, stalowo-betonowej, odrzwio

wej z łuków sztywnych oraz obudowy kotwiowo-betonowej i kotwiowo-beto- nowo-etalowej jeżeli, jako obudowa wstępna stosowany jest beton natry

skowy, przemieszczenie wynosi:

o ob

Uw + U . (1 6 )

Dla obudów powłokowych (B,SB,KB,KBS) można przyjąć, że u° równe jest przemieszczeniu sprężystemu konturu wyłomu wyrobiska

uw - % . " j g • P z • r w ( 1 7 )

Dla obudów odrzwiowych z łuków sztywnych oraz odrzwiowych ŁS obetonowa

nych można przyjąć, że u° równe jest przemieszczeniu sprężystemu u3 zwiększonemu o luz konstrukcyjny 1^.

» (18)

(7)

Zasady określania obciążeń.. ⁶¹

Średnia odległość wykładki od konturu wyłomu w pułapie wyrobiska, bezpo

średnio po wykonaniu wykładki można przyjąć równą 0 - 10 om w zależnoś

ci od jakości wykonania wykładki.

Przemieszczenie radialne obudowy u 0'3 wynosi:

- dla obudowy B i SB oraz KBiKBS jeżeli, jako wstępna zastosowana jest w nich obudowa z betonu natryskowego [11]

2

ob ^ ' pa " r o .

r

_ d o i

-E^T-a + £

b

■ r"

- dla obudów odrzwiowych z łuków sztywnych oraz odrzwiowych ŁS obetonowa

nych poza przodkiem

uob _ Pa _ ^ w + (20)

gdzie:

pfl - ciśnienie na obudowę,

rQ - promień wyrobiska w wyłomie,

d - grubość obudowy z betonu natryskowego, dw - grubość wykładki kamiennej.

2 Wartość współczynnika ściśliwości wykładki kamiennej Ew = 100 N/cm . Sumę zsuwów na złączach A L dla ubodowy ŁS można przyjmować w grani

cach 0 - 5 cm.

- dla obudów odrzwiowych obetonowanych w pobliżu przodka wartość u o- kreśla zależność:

ob ^ # * ro r Pa ’

u — E p - a — + £s • ro + — r; (21;

b) w przypadku obudowy kotwiowo-betonowej oraz kotwiowo-betonowo-stalowej, w których jako wstępna zastosowana jest obudowa kotwiowa, a także w obudowach odrzwiowych podatnych i odrzwiowych podatnych obetonowanych poza przodkiem wartość wynosi:

1 + rT

* (P„ ~ P J •

J

(22)

Zasięg strefy plastycznej występujący we wzorze (22) wynosi

(8)

6 2 J. Mało sz ew s ki

n o s i :

Naprężenie radialne pg na granicy strefy sprężystej i plastycznej wy-

pg = ~ — :— (2 4 )

2 + /Ł 'g

A. Podporność aktywną obudcw, rozumianą jako oddziaływanie obudowy na gó

rotwór w momencie wytworzenia się stanu równowagi można oszacować z zależności:

X d ? . R

pa = ■ '4 . a . b3 (25)

- dla obudowy z betonu natryskowego

. d . R.

.. 4 bz

p a " 3 ’ " (26)

o

- dla obudowy stalowo-betonowej i odrzwiowej obetonowanej bezpośrednio w przodkui

o = 3 • d • db • Rbz + ° ’6 Ra • A , .

a rQ . d . m 1 (27)

Współczynnik warunków pracy obudowy m 1 wynosi dla obudowy SB m 1 = 1,0, dla obudowy OB » 1,5,

- dla obudowy odrzwiowej podatnej oraz odrzwiowej podatnej obetonowa

nej poza przodkiem

N

pa “ " T dh (28)

o b N z — siła powodująca zsuw w zamku.

Dla obudowy z profilu KSKO zaleca się przyjmować N = 250 000 N, zaś dla obudowy z profilu V, N z « 460 000 N.

- dla obudowy odrzwiowej sztywnej oraz odrzwiowej sztywnej, obetonowa

nej poza przodkiem

P. 0,5 Ra (m + n,) a 0.052 r* 1,12 r m

m i • d (--- ---- -

X

3--- — --- (29)

+ o 'w

Współczynnik Schaefera można przyjąć dla profili Ś,m = 1,22, n 1 z wzoru

(9)

Zasady określania obciążeń.. 63

Współczynnik warunków pracy obudowy proponuje się przyjąć dla obudowy ŁS mj » 1,0, a wyboczeniowy z PN-76/B-03200.

B. Wielkość stropowego ciśnienia górotworu q z oblicza się ze wzoru:

'»zł “ P.

q z2 =

q z2 "

% '

h

. (!s,

\ ¿¡e

i, - (i!)

h

1

V ^h L V J

o • <rL - rwJ • g

(31)

(32)

(33)

Do wzoru (33) należy podstawić wartość hQ z (2). Wytrzymałość góro

tworu w strefie plastycznej przyjmować R^ = 0,5 . Rc g . Promień zasięgu strefy plastycznej r^ określony jest wzorem

, l/\ - V *, (34)

f (1+ ffg) *(PZ-Pg)

W przypadkach B) wartość qz należy obliczać ze wzoru:

4 z1 “ a

q z2 *

%

<rl-ł!W> •

q z2 " H o • h o * s

(35)

(36)

(37)

Wartość r^ występująca we wzorze (36) należy obliczać z zależności (23). Ciśnienie q z^ można przyjmować jako radialne, równomiernie rozło

żone na całym obrysie obudowy, zaś ciśnienie q z2 jako pionowe działają

ce, równomiernie rozłożone (rys. 3)-

C. Wielkość statycznego ciśnienia ociosowego górotworu qx na obudowę n a  leży określić ze wzorów (4) i (5) przy przyjęciu z (6).

D. Wielkość statycznego ciśnienia spągowego górotworu qw na obudowę na

leży określić ze wzoru (7) przy czym za h Q należy przyjmować wartość większą spośród h Q = r^ - rw i h Q określonego wzorem (2). W przypad

ku występowania statycznego ciśnienia spągowego qw należy ograniczyć nacisk jednostkowy fundamentu obudowy na podłoże

< ^o (rL + rw } • g (38)

(10)

64 J. Małoszewski

Rozkład obciążeń statycznych qx i qw można przyjąć jako równomierny.

W przypadku, gdy obliczeniowe ciśnienia górotworu na obudowę przekraczają nośność przyjętego rodzaju obudowy zaleca się rozważyć celowość stosowa

nia obudowy:

- o mniejszej sztywności, gdy dominujące jest ciśnienie deformacyjne q .,

Z I

- o większej sztywności, gdy dominujące jest ciśnienie statyczne q z2, 3.1.2.4. Ciśnienie górotworu na obudowę w o ś r o d k u s p r ę ż y -

s t o-s p ę k a n y m

Ośrodek otaczający wyrobisko można uznać za s p r ę ż y s t o-s p ę - k a n y, gdy skały budujące górotwór odpowiadają kategorii I-VIa i równo

cześnie spełnione są warunki:

H (39)

oraz

U > r .fi (40)

w w ng '

Wielkość i rozkład ciśnienia górotworu na obudowę zaleca się określać we

dług 2.1.2.3 przyjmując B' Cg - O.

3.1.2.5. Ciśnienie górotworu na obudową w strefach zaburzeń tektonicznych Wielkość ciśnienia górotworu na obudowę wyrobisk zlokalizowanych wst r e - faeh zaburzeń tektonicznych, w warstwach zalegających pod kątem 30°, a także przy występowaniu w pobliżu wyrobiska warstw słabych (kategorii X) zaleca się określać indywidualnie.

4* Obciążenie od urządzeń podwieszanych do obudowy

Wartość obciążeń charakterystycznych od urządzeń podwieszanych do obu

dowy zaleca się przyjmować według ich rzeczywistych ciężarów zwiększonych o współczynnik wpływów dynamicznych (dla urządzeń pracujących np. taśmo

ciągi, kolejki itp.). Przyjęty do obliczeń rozkład tych obciążeń na obu

dowę powinien być zgodny z projektowanym zawieszeniem urząd zeń.Obciążenie od urządzeń podwieszanych do obudowy zaleca się uwzględniać w oblicze

niach statycznych konstrukcji obudowy, gdy ich wpływ na ekstremalne war

tości sił wewnętrznych przekracza 15%.

5. Ciężar własny obudowy

Ciężar własny obudowy qc należy określać dla projektowanych wymiarów obudowy przy przyjęciu gęstości przestrzennej materiałów (ciężaru objętoś

ciowego) zgodnie z normą PN-74/B-02009-

(11)

Zasady określania obciążeń. ^ ___ 65

6. Obciążenia obliczeniowe obudowy

Wielkość obliczeniowego obciążenia obudowy wyznacza się z zależności:

q0 = n • qN ( 41)

gdzie: —

n - współczynnik obciążenia wg [ lo ] .

LITERATURA

f1JBorecki M., Chudek M.: Mechanika górotworu. Wyd. Śląsk, Katowice 1972.

[2] Chudek M.: Obudowa wyrobisk korytarzowych i komor owych. Wyd .Śląsk,Ka

towice 1975-

[3] Chudek M . , Świst E . : Calculation of Rock Pressures on Tunnel Supports.

Studia Geotechnika III, 1, 1972.

[4] Chudek M . , Chwała St. : Zagadnienia prognozowania obciążeń statycznych na obudowę wyrobisk korytarzowych i komorowych. Zeszyty Naukowe Pol.

Ś l . , s. Górnictwo, z. 76, 1977.

[5] Dawydow S.: Obliczanie i projektowanie konstrukcji podziemnych.Wydaw

nictwo MON, Warszawa 1954.

[6] Pain I., Dmitriev: Primery proektirowanija autodorożnych tunnelej. W y  dawnictwo Autotransizdat. Moskwa 1957.

[7] Kästner M.: Static des Tunnel-und Stollenbaues und Grundlage geomecha- noscher Erkenntnisse. Wydawnictwo Springer Verlag, Berlin 1971.

[8] Sałustowicz A.: Zarys mechaniki górotworu. Wyd. Śląsk, 19 6 5 .

[9] Stomatello H.: Tunele i miejskie budowle podziemne. Wyd. Arkady, War

szawa 1970. _

[10] Rułka K., Małoszewski J., Wypchol N . : Podstawy teoretyczne doboru ob

ciążeń i wymiarowania obudów kapitalnych wyrobisk korytarzowych i ko

morowych. Archiwum Górnictwa PAN (w druku).

[11] Małoszewski, J . , Mateja J., Rułka K., Wypchol N . : Podstawy teoretycz

ne projektowania obudów powłokowych dla wyrobisk korytarzowych i komo

rowych. Zeszyty Problemowe Górnictwa PAN z. 1. 1977 Kraków.

HPHHUHIIH OnPEÄEJIEHHH HArpy3KH IIPH EPOEKTHPOBAHHH KAJlHTAJIbHOt} KPEI1H DiTPEKQBHX KAMEPHMX BHPAEOTOK

P e 3 b> u e

B c r a i t e p a c c u a T p H B a » T c j i , o n a p a a c Ł H a c a a u e c o E p e u e H H u e h c t o h h h k h i e x H H - q e c K o a j i H T e p a T y p u a p e s y j t b i a T u paóoT H a y n H O - H C C i e A O B a x e J i b C K o a 6 a 3 u K O M Ó H H a — l a M a x T H o r o c T p o a i e j i b c T B a , o c H O B H u e n p H H u a n u o n p e , s e A e H H H H a r p y 3 K H n p a n p o e x - T H p O B a H H H K p e n H r o p H 3 0 H T a j I b H H X B C K p u B a x a i H X B H p a Ó O T O K B S ä B H C H M O C T H O T T J i y - ö h h u s a a e r a H H H , a T a x x e o t c o c t o h h h h c p e ^ a b k s k o N o h h n o i s e m a f o T C H .

(12)

66 J. Maloszewski

PRINCIPLES FOR DETERMINING LOADS IN DESIGNING SUPPORTS OP THE DOG AND CHAMBER HEADINGS

S u m m a r y

Basing both on the latest developments and scientific results of the Mine Construction Union, the basic principles for load determination in designing horizontal developing headings are presented. The depth of headings and the state of their medium is taken into account.